Усилитель рулевого управления необходим для того, чтобы водителю было легче вращать рулевое колесо во время движения. Электроусилитель руля компенсирует приложенные усилия, создавая дополнительный момент, что дает возможно вращать руль, стоя на месте.

Несмотря на то что в большинстве нынешних машин стоит гидравлический усилитель, чем дальше шагает автомобилестроение, тем чаще на машине можно встретить электроусилитель рулевого управления.

В сравнении с гидравлическим, устройство электрического имеет такие преимущества:

• Простота регулировки: все делается с помощью компьютера.
• Руль более информативен для водителя.
• Отсутствует гидравлика как таковая, что обеспечивает высокую надежность.
• На вращение руля затрачивается меньше энергии автомобиля, расходуется меньше топлива.

Электрический усилитель руля имеет еще одно важное преимущество перед гидравлической системой – возможность создания разных систем безопасности: курсовой устойчивости, автоматическое рулевое управление, помощник движения по полосе и др.

Теперь разберем подробнее принцип работы электроусилителя руля.

Устройство механизма

ЭУР может иметь устройство с разными вариантами компоновки:

1. В механизме присутствует рулевая рейка, которая воспринимает усилие.
2. Электродвигатель передает усилие на вал руля.

Наиболее часто в автомобилях применяется ЭУР с наличием рейки. Встречается конструкция механизма с параллельным приводом, в котором есть две шестерни. Классическая конструкция рейки включает в себя электрический двигатель, механическую передачу и бортовой компьютер, который управляет всем этим. Устройство технически объединяет механическую часть с электрической в едином блоке. Принцип работы электроусилителя руля основывается на работе асинхронного электрического двигателя.

Принцип работы

Внутри блока механическая передача необходима для передачи того усилия, который создает ЭУР к рейке рулевого механизма. Внутри же электрического составляющего одна шестерня передает усилие от механизма к колесу, а другая от электромотора усилителя. Устройство здесь таково, что рейка имеет специальные выступы и зубья, которые потом приводят в движение колеса машины. Если же в вашей машине используется ЭУР с параллельным приводом, что также бывает нередко, то здесь вращательный момент передается с помощью ремня и винтового механизма. Здесь все немного сложнее с технической точки зрения, но не менее надежно.

Помимо всего этого, важно отметить, что здесь присутствуют еще и электронные датчики. Устройство электроники основано на работе двух датчиков: угла поворота руля и датчике крутящего момента на валу рулевого колеса. Электроусилитель руля, помимо этого, так же использует информацию от системы АБС и от бортового компьютера. Обработав полученную информацию, система анализирует происходящее и определяет, каким способом воздействовать на руль.

Режимы работы усилителя

ЭУР может осуществлять свою работу в таких режимах:

• Вращение рулевого колеса в обычных условиях.
• Движение на малой скорости.
• Подруливание на больших скоростях.
• Поддержание руля в ровном положении.

Основываясь на данных, полученных от датчиков и вспомогательных систем, усилитель решает, насколько увеличивать крутящий момент на валу рулевой рейки. Крутящий момент передается через специальный торсион к механизму. Количество этого момента меряется, основываясь на показания датчиков, о которых мы говорили выше.

Бортовой компьютер подает к рулю определенное количество крутящего момент, так как в разной ситуации его требуется разное количество. В зависимости от необходимости, электродвигатель увеличивает или уменьшает силу тока, что отражается на усилии, прилагаемом к рулю. Из этого следует, что поворот колес осуществляется за счет суммарного усилия электродвигателя и мышечной силы человека.

Когда водитель паркуется и ему нужно повернуть колеса на месте, то электродвигатель увеличивает силу тока, увеличивая крутящий момент. Максимальный крутящий момент соответствует легкости вращения рулевого колеса. Такой режим называется обычным. Если же машина едет очень быстро и водителю необходимо лишь перестраиваться из полосы в полосу, подруливать по ходу движения, то здесь устройство не увеличивает крутящий момент, и водитель практически вручную вращает руль. Минимальное усилие электромотора на большой скорости крайне необходимо для обеспечения безопасности движения. Слишком чувствительный руль может привести к вылету в кювет.

Эксплуатация в городском режиме

Когда водитель большую часть времени ездит в городе, будет удобнее, если после поворота руль самостоятельно будет возвращаться в прямое положение. Так называемый активный возврат колес значительно упрощает вождение при интенсивном маневрировании. Если же предстоит длительное движение по прямой, то здесь поможет функция стабилизации. Она может автоматически поддерживать колеса в прямом положении – это актуально при неправильном развале-схождении колес или боковом ветре.

Нередко в электрических усилителях, специально созданных для переднеприводных автомобилей, предусмотрена программа, которая компенсирует увод машины, если были установлены приводные валы разной длины. В современных машинах электрика вовсе работает независимо от водителя – сама подруливает и возвращает колеса, помогает правильно парковаться.

Машины с электроусилителем руля давно перестали быть чем то необычным. Даже самые консервативные автолюбители умерили свой скептицизм и признали удобство этого узла. Действительно управлять автомобилем оснащенным электроусилителем, гораздо комфортнее. К этому быстро привыкаешь и совсем не задумываешься над тем, как этот комфорт достигается. И уж совсем не многие знают принцип работы электроусилителя руля и его конструкцию. Между тем знать, как работает ЭУР, нужно не только для повышения образованности, как говорил один из героев советского мультфильма, но и для того, чтобы избавить от предвзятого отношения к нему, которое, к сожалению, до сих пор существует.

Конструкция

Вообще большинство небылиц об электроусилителе руля, основаны на искаженном представлении принципа его работы. Действительно, среднестатистическому автолюбителю сложно понять, каким образом электричество помогает крутить руль. Некоторым даже, кажется, что вращает он не руль, а некое подобие джойстика, а колеса поворачивает электроника.

Между тем конструкция ЭУР довольно проста для понимания. Подчеркнем, именно для понимания, потому что технически все реализовано совсем непросто. Поэтому попытаемся максимально доступно рассмотреть устройство ЭУР.

Итак, конструкция электроусилителя руля, в достаточно наглядном для понимания виде, представлена на рисунке. Очевидно, что основными элементами ЭУР являются

• Датчик угла поворота рулевого колеса;
• Датчик момента на рулевом колесе;
• Электродвигатель;
• Блок управления ЭУР.

Сразу нужно отметить, что приведенный чертеж, конечно, не претендует на точное сходство с реальным ЭУР и служит для лучшего понимания принципа его работы.

Главным элементом электроусилителя можно считать электродвигатель. Именно он помогает, фигурально выражаясь конечно, поворачивать колеса. Совместно с датчиками, электродвигатель составляет так называемый сервопривод. Что это такое? Вообще определений этого устройства много и все они достаточно сложные. Но, что называется, в первом приближении и применительно к электроусилителю это означает, что электродвигатель управляется с помощью рулевого колеса. Более подробно об этом дальше, а пока снова обратимся к рисунку. Из него видно, что шестерни рулевого вала и вала двигателя работают на одну рулевую рейку. Конечно, это показано схематично. На реальном электроусилители, шестерни расположены совсем не в одной плоскости. Чаще всего в реальной конструкции электродвигатель расположен на рулевом валу. Но суть его конструкции от этого не меняется, в любом случае при повороте руля, пропорционально поворачивается вал сервопривода. Как результат — для поворота колес водителю приходится прилагать меньшее усилие. Это все, что касается конструкции. Естественно очень коротко и очень приблизительно. Но для понимания общих основ пока достаточно. Теперь более подробно о том, как работает электроусилитель руля.

Принцип работы электроусилителя руля

Очень часто одним из недостатков ЭУР называют низкую информативность руля. Что это значит? Здесь имеется в виду, что руль очень легко крутиться и как результат водитель, что называется, не чувствует дороги. Такие утверждения не соответствуют истине, иначе, зачем электроусилитель буквально напичкан электроникой. Действительно, сервопривод работает не с постоянным усилием. Алгоритм его работы зависит от конкретных условий.

При парковке автомобиля важна его высокая маневренность, а совсем не информативность руля. В этом случае электромотор работает с максимальным усилием, обеспечивая водителю так называемый «легкий руль» от крайне левого, до крайне правого положения.

Чем выше скорость, тем меньше нужна маневренность. Более того, резкие повороты становятся просто опасными. Поэтому электроника снижает эффективность работы сервопривода и он, таким образом, практически не влияет на управление автомобилем. В результате водитель поворачивает руль с заметным усилием, вот вам и необходимая информативность. Таким образом, принцип работы электроусилителя руля предполагает не постоянную помощь водителю, а оптимальную, на данный момент, на основе анализа многих параметров.

Говоря о низкой информативности ЭУР, иногда упоминают как недостаток, необходимость принудительного возврата колес в среднее положение. Утверждающие это, либо никогда не водили автомобиль с ЭУР, либо пользуются устаревшими данными. Все современные электроусилители обладают активным возвратом руля в исходное состояние. Осуществляется это так же с помощью сервопривода. Поэтому есть смысл рассмотреть его работу более подробно.

Сервопривод ЭУР: принцип работы

На рисунке показан электропривод ЭУР в разрезе. Очевидно, что основными его частями являются:

• Синхронный 3-х фазный электродвигатель;
• Червячный вал;
• Шестерня рулевого вала;
• Соединительная муфта;
• Датчик положения ротора.

Сначала о том, почему электродвигатель ЭУР синхронный, а не коллекторный. Казалось бы, в автомобиле логичней и дешевле использовать именно второй тип. Изначально так и было. Но принцип работы ЭУР предполагает постоянное включение и выключение электродвигателя, что существенно сказывается на продолжительности службы щеточно-коллекторного узла. Ведь именно в момент пуска двигателя потребляется максимальный ток, что сопровождается образованием мощной искры. Как результат — постоянное техническое обслуживание или замена щеток. Поэтому конструкторам пришлось выбирать между асинхронным и синхронным двигателем. Остановились на последнем, как более простом. Но перейдем непосредственно к конструкции электропривода.

Вал синхронного двигателя через муфту соединен с червячным валом. Последний, совместно с шестерней, представляет собой червячный редуктор. Таким образом, крутящий момент передается с электродвигателя ЭУР непосредственно на рулевой вал, дополняя усилие, приложенное к рулевому колесу.

Датчик положения ротора необходим для нормальной работы синхронного двигателя. Дело в том, что двигатель начинает вращаться, если напряжение приложен только к двум из трех его обмоток. К каким именно, управляющему устройству и удается установить с помощью ДПР. Но основным элементом сервопривода без всякой натяжки можно назвать датчик усилия.

Работа датчика усилия

Принцип действия датчика усилия основан на особенности конструкции рулевого вала. Она заключается в том, что рулевой вал разделён на две части. Чаще всего их называют входной вал и выходной. Валы соединены между собой с помощью торсиона, как это показано на рисунке.

Что такое торсион. Грубо говоря, это металлический стержень из пружинистой стали. Он допускает небольшое скручивание относительно вертикальной оси. Причем после этого возвращается в исходное положение.

Так вот, входной и выходной валы электроусилителя соединены между собой торсионом. Любая попытка поворота приводит к смещению валов относительно друг друга. Максимальный угол смещения составляет несколько градусов в обе стороны. Если этот предел будет превышен, произойдет жесткое сцепление между собой двух частей вала, по сути, превращающее их в один. Кстати говоря, именно благодаря торсиону, который при поворотах оказывается немного скрученным, на руле всегда присутствует определенное усилие, помогающее водителю лучше чувствовать дорогу.

Именно угол смещения между входным и выходным валом и измеряет датчик усилия. Большой угол свидетельствует о сильном закручивании торсиона, то есть о значительном усилии, прилагаемом к рулевому колесу. Эта информация передается на блок управления электроусилителем, который выдает напряжение соответствующей величины и полярности, на обмотки электродвигателя.

Кроме того, на блок управления электроусилителем поступают данные с датчика скорости. Благодаря этому происходит корректировка работы в соответствии со скоростью автомобиля. Чем быстрее движется машина, тем меньше крутящий момент на валу электродвигателя. А при скорости движения более 75 км/ч, ЭУР отключается совсем, никак не влияя на управление авто.

Еще одним датчиком, влияющим на работу ЭУР, является датчик положения коленвала. Благодаря ему электроусилитель руля работает только при заведенном двигателе, а не просто после включения зажигания. Это немаловажно, учитывая, что ток потребления ЭУР не многим меньше 50-ти Ампер.

Электрический усилитель руля (Eelectric Power Steering - EPS) в последнее время, во многих легковых автомобилях, находит все большую популярность, нежели гидроусилитель руля. И объяснение тому простое, преимуществами электроусилителя руля перед гидроусилителем является то, что здесь нет гидравлического насоса который постоянно работает, независимо от того, стоит автомобиль или едет. При этом при движении, гидроусилитель потребляет еще большую мощность, в отличии от электроусилителя, который в некоторых случая отключается совсем. Все это сказывается, во-первых, на потере мощности двигателя порядка 8-10 л.с., а также на экономичности автомобиля. Есть и еще один плюс, минимальное наличие механических узлов (гидравлические шланги, насос, золотники и т.д.), которые, как правило, менее надежны, чем электрика и электроника. Электрический усилитель руля также работает тише, чем элементы гидравлические системы, отсутствует шум от насоса и от жидкости, протекающей через шланги и клапаны. Но самое заметное отличие все же заключается в особенностях управления.

Электрический усилитель руля может быть очень точно настроен на срабатывание при повороте руля. Такую точность очень трудно обеспечить для гидравлической системы, так как клапана имеют определенный проход. От начала их открытия, до полного открытия, руль должен быть довернут на определенный угол. Электроусилитель руля не столь инерционен как гидравлика, что позволяет ему более быстро реагировать на изменение положения руля, а также скорость автомобиля. И в конце концов, электроусилитель может работать даже тогда, когда у вас заглох двигатель.
Основным минусом электроусилителя руля является повышенное энергопотребление, ток питания доходит до 50 А. Очень часто в связи с этим основной неисправностью электроусилителя является обгорание контактов на монтажной плате, в реле, выгорание предохранителей.

Из истории электроусилителя руля и просто интересные факты

Первыми серийными машинами с электрическим усилителем руля были Acura NSX, Honda S2000, Toyota Prius и Toyota RAV4, а также множество моделей компании GM, такие как: Chevrolet Malibu, Chevrolet Cobalt, Chevrolet HHR, Pontiac G6 (кроме кабриолета, GT моделей), Pontiac Torrent, Pontiac G5, Saturn VUE и Saturn ION.
Стоит сказать, что имелась и переходная система «смешанного» вспомогательного управления водителю. Некоторые машины имели электро-гидравлический усилитель руля. Электродвигатель использовался для привода обычного гидравлического насоса, а далее все как в классической схеме с гидроусилителем руля. Более подробно о гидроусилителе руля в статье "Гидроусилитель руля автомобиля ".
Последние поколения электроусилителей (EPS) собраны совместно с рулевой колонкой, хотя ранее электродвигатели ставились на рейку. Электроусилители руля на некоторых автомобилях могут настраиваться. Фактически вы выбираете вспомогательное усилие, при каком угле поворота, какое усилие будет помогать вам, докручивать колеса. Как правило, о возможности такой настройки надо спрашивать у дилера, к тому же настройка требует сканеров и ПО для изменения характеристик.

Как работает электроусилитель руля

Хотя читатель примерно уже представил себе, как и при каких условиях срабатывает электроусилитель, тем не менее, мы хотели бы донести до него особенности работы электроусилителя руля.
В тот момент, когда водитель начинает поворачивать руль, датчик положения и датчик скорости вращения рулевого колеса передают сигналы в модуль управления. Также существует и датчик определения крутящего момента на рулевом колесе. Вся эта информация подается на блок управления электроусилителя рулевого управления. Кроме того, при управлении электродвигателем, также принимаются во внимание скорость транспортного средства и данные о усилии на рулевой тяге колеса.
После получения всех этих данных, модуль управления подает питание на двигатель. Двигатель вращается, при этом помогает перемещать руль в одном из направлений. При управлении, постоянно отслеживается положение руля, при этом вспомогательное усилие меняется.

На многих автомобилях GM, электродвигатель усилителя установлен на рулевой колонке. Двигатель и модуль управления являются одной сборкой в рулевой колонке, и в случае поломки меняется двигатель совместно с модулем управления.
В большинстве современных автомобилей Toyota, электродвигатель может быть заменен отдельно.
Электродвигатели установленные в рулевой рейки, как правило для автомобилей GM и Honda, меняется совместно с рейкой.
Стоит заметить, что электрический усилитель руля довольно дорогой узел на иномарках, его стоимость может составлять от $ 600 и больше в зависимости от автомобиля. Таким образом, необходимо сказать о том, что точная диагностика электроусилителя руля необходима, она позволит избежать замены дорогостоящих, но исправных узлов.
После ремонта электроусилителя, необходимо использовать диагностический прибор, для того, чтобы откалибровать центральное положение датчика положения рулевого колеса. В противном случае, вы будете иметь обратную связь от электродвигателя при прямолинейном движении.
Как правило при поломке или срабатывании системы защиты рулевого управления на комбинации приборов загорается сигнальная лампа. Лампа может сигнализировать о неисправности или о отключении электроусилителя в следствии срабатывания защиты. Тепловая защита может сработать, когда обмотка электродвигателя перегреется, как правило, при работе в крайних положениях руля.
Одной из распространенных поломок является стук в рулевой колонке, при проезде через неровности. Результатом этого может быть обратная связь от электродвигателя, за счет не корректной работы модуля управления. В крайних случаях электроусилитель может даже подруливать автомобилем.
Проверка неисправности механической и электрической части проводится просто. Извлеките предохранитель питания электроусилителя из монтажного блока, при этом принудительно отключив его. Совершите пробную поездку, будьте осторожны, так как усилие при управлении будет значительным. Если стуки пропадут, то в этом был виноват модуль управления, если нет, то у вас механические неисправности в рулевой колонке.
Стоит еще раз заметить, что при любой электронной неисправности усилителя или его отключении, автомобиль будет управляться, но управляющий момент на рулевом колесе будет намного выше.

Одна из проблем, стоявших перед конструкторами с начала эпохи автомобилестроения – облегчить . Долгое время способ решения был один: увеличить диаметр руля и повысить привода. Такой метод позволял относительно легко управляться даже с многотонными грузовиками. Требования к комфорту и эргономике почти не предъявлялись, поэтому то, что для маневрирования водителю приходилось делать 5-6 оборотов огромным рулем от края до края, во внимание не принималось. В наши дни инженеры нашли более изящный выход — электроусилитель руля.

Этот механизм при помощи электромотора создает вспомогательное усилие на рулевом валу при его повороте. Появился он относительно недавно и постепенно начинает вытеснять своих предшественников – гидро- и электро-гидроусилитель.

Устройство и принцип действия электроусилителя руля

Основными элементами системы являются бесщеточный электромотор, механическая передача (сервопривод), датчики угла поворота руля и крутящего момента и управляющий блок. Дополнительно механизм может оснащаться датчиком скорости вращения руля. Устройство сервопривода на разных типах автомобилей различается (подробнее об этом ниже).

Главный датчик в электроусилителе руля – датчик крутящего момента. Выполнен он следующим образом: в разрез рулевого вала встроен торсион, на концы которого устанавливаются элементы датчика, принцип действия которого может быть оптическим или магнитным.

Принцип работы электроусилителя руля следующий. С поворотом руля торсион на валу закручивается тем сильнее, чем больше прилагаемое усилие. Величина приложенного усилия оценивается по взаимному расположению частей датчика. Измеренное значение передается в блок управления. Второй датчик измеряет угол поворота руля и также передает измерения в управляющий блок, куда дополнительно поступают данные о скорости движения машины (от ABS системы) и оборотах двигателя (от контроллера). А на основании всей полученной информации, электронный блок управления рассчитывает величину вспомогательного усилия, и подает на электромотор напряжение нужной величины и полярности. Через сервопривод электродвигатель перемещает или вращает рулевой вал.

При движении с небольшой скоростью, например, на парковке, когда приходится быстро поворачивать колеса из одного крайнего положения в другое, электромотор работает с максимальной мощностью, и обеспечивается так называемый «легкий руль». И наоборот, когда машина едет по трассе с высокой скоростью, руль поворачивается на небольшие углы, поэтому вспомогательное усилие минимально, руль получается более «тяжелым». Вдобавок, электроусилитель руля способен увеличивать реактивное усилие, которое возникает при повороте колес, помогая им вернуться в среднее положение.

Нередко возникает необходимость в поддержании среднего положения колес, например, при сильных порывах бокового ветра или неодинаковом давлении в шинах, в подобных ситуациях блок управления обеспечивает постоянное корректирующее усилие. В программном обеспечении системы заложена и компенсация увода переднеприводной машины в сторону из-за разной длины валов привода колес.

Конструкция электроусилителя руля

Несмотря на общее устройство, конструктивно электроусилитель руля может быть выполнен различными способами в зависимости от того, на каком типе автомобилей он устанавливается.

На ЭУР устанавливается на рулевую колонку. Они не нуждаются в большом усилии на руле, поэтому электромотор и механическая передача получаются компактными и помещаются в салоне авто под рулевым колесом. Там же размещаются и датчики. В результате устройство надежно защищено от пыли, грязи и высокой температуры, царящих в подкапотном пространстве, что наилучшим образом сказывается на сроке службы.

У машин среднего класса электроусилитель руля размещается на рулевой рейке, вспомогательное усилие на которую передается через шестерню.

Внедорожники и микроавтобусы, из-за большой массы, нуждаются в большом вспомогательном усилии, поэтому на них устанавливается электроусилитель руля параллельноосевой конструкции. Электродвигатель передает усилие при помощи зубчатоременной передачи и механизма «винт-гайка на циркулирующих шариках». Зубчатый ремень вращает гайку, а та, в свою очередь, через шарики перемещает рулевую рейку. Шарики циркулируют по резьбе и возвращаются по специальному каналу в гайке.

Независимо от варианта исполнения, электроусилитель руля устроен таким образом, что даже в случае его выхода из строя автомобиль останется управляемым, поскольку сохранится прямая связь рулевого вала с рейкой.

Преимущества ЭУР перед ГУР и ЭГУР

Водители автомобилей, на которых установлен гидро- и электро-гидроусилитель, вынуждены мириться с их многочисленными недостатками, а именно:

• держать колеса в крайнем положении можно не более пяти секунд, иначе происходит перегрев масла в системе и выход ГУР из строя;.
• необходимость в периодическом обслуживании (нужно контролировать уровень масла, менять его, следить за состоянием приводов, шлангов и насоса);.
• на работу ГУР расходуется часть мощности двигателя автомобиля;.
• устройство работает в одном режиме, независимо от условий движения;.
• снижение информативности руля на высоких скоростях (частично этот недостаток устранен за счет применения рулевой рейки с переменным передаточным отношением).

Достоинствами электроусилителя руля являются надежность, экономичность и компактность. Его принцип действия основан на работе электромотора, поэтому и устройство намного проще. Электроусилитель руля приводится в действие не от силового агрегата автомобиля, к тому же работает только при работе рулем, благодаря этому экономится от 0,4 до 0,8 литра горючего в зависимости от стиля езды и дорожных условий. Электроусилитель руля не требует обслуживания, однако, в случае поломки неисправные узлы меняются целиком, поэтому стоимость ремонта значительно возрастает.

Пожалуй, самым главным преимуществом электроусилителя руля, можно считать возможность изменять вспомогательное усилие в зависимости от условий передвижения автомобиля, благодаря чему, достигается более острое управление на высоких скоростях, и более легкое на малых. Кроме того, одна и та же модель может применяться на различных машинах, а все, что потребуется – изменить настройки электронного блока управления.